粉末烧结Cu-Fe基金刚石复合材料力学性能及界面结合特性研究

摘要

金属基金刚石复合材料工磨具由于其切割锋利、效率高、寿命长以及良好的刃口形貌保持能力，被广泛应用于加工陶瓷、磁性材料(铁氧体及各种磁头材料)及水晶、石材、石英等。要充分发掘金刚石工磨具切削性能必须解决以下问题：合适的烧结方法和工艺，改善界面结合，考虑各种特殊因素的影响。针对以上存在的问题，本文采用真空热压烧结工艺，通过正交试验在不同烧结温度、烧结压力、保温时间条件下制备Cu-Fe基金刚石复合材料；应用热力学理论计算界面反应及金刚石石墨化吉布斯自由能变化，预测界面反应发生的可能性和石墨化几率；并且通过实验研究了烧结工艺参数对Cu-Fe基金刚石复合材料组织结构、力学性能、界面结合特性的影响，并评价了其摩擦磨损性能。得到了如下结论：
　　 1.应用标准反应热效应理论，计算了本实验条件下碳化物形成元素Cr与C反应生成碳化物吉布斯自由能变化小于零；应用经典热力学理论计算本实验金刚石石墨化的吉布斯自由能变化亦小于零，在热力学上这些反应均可自发进行。
　　 2.随着烧结温度升高，烧结体系产生大量Cu，Sn液相活化了烧结，增大了颗粒间润滑，减少了Fe颗粒之间摩擦力，使得颗粒重排变的容易，进而促进孔隙收缩，提高了材料的致密度和力学性能。
　　 3.随着烧结压力增大，Cu/Fe粉末颗粒产生塑性变形而导致颗粒间接触面积增大，颗粒间压应力增加了烧结颈中空穴扩散驱动力，促进了扩散进而活化烧结，使得材料力学性能得以提高。
　　 4.随着保温时间延长，界面处金刚石表面碳原子和Cr原子反应生成Cr23C6和Cr7C3物相，界面由机械结合变成冶金结合，提高了界面结合强度而使得材料的横向断裂强度得以提高；致密度提高和(Fe，Ni)固溶体产生则提高了材料硬度。但是过分延长保温时间，虽然界面反应和界面扩散更加充分，且生成更多界面碳化物物相，但碳化物物相多为脆性物相，导致界面结合强度减弱，从而使材料横向断裂强度下降；然而致密度进一步提高和更多固溶体产生对于硬度提高是起促进作用的。这说明适度界面反应使得金刚石和胎体发生冶金结合，这对于提高材料横向断裂强度是有益的，但是过度界面反应是有害的。
　　 5.界面处元素浓度分布梯度和界面放热反应，提供了胎体中Cr原子向界面处扩散的驱动力和界面反应初始激活能，并且被EDX和XRD表征所验证。
　　 6.烧结过程中，金刚石在热力学上处于不稳定状态，容易发生石墨化转变，但是被真空、快速、低温烧结以及界面反应所抑制，在动力学上石墨化为小概率事件，故可忽略不计，这与理论计算结果相一致，证明了计算结果的正确性。
　　 7.Cu-Fe基金刚石复合材料耐磨性能不仅由硬度决定，而且受复合材料界面结合性能影响。界面结合状况好，横向断裂强度高，磨削比大而切削性能好。
　　 通过以上研究，我们明确了不同烧结工艺参数对Cu-Fe基金刚石复合材料力学性能的影响规律，以及从热力学和动力学上明确了界面反应和金刚石石墨化机理。为开发高切削性能金刚石复合材料工磨具提供了理论依据。